大型数据中心 UPS电源系统选型配置研究

大型数据中心 UPS电源系统选型配置研究

贾混林

中国电信股份有限公司云计算内蒙古分公司 内蒙古 呼和浩特 011500

摘要：随着网络技术的飞速发展，不同类型的不间断电源(UPS)系统相继出现，其特点也有很大的不同。UPS系统作为数据中心的供电保障，无疑在数据安全中起着至关重要的作用。因为几乎所有数据中心的负载是由UPS电源,确保UPS在安全模式下运行,提高工作效率的UPS系统本身是安全和节能的核心设计供电系统的数据中心机房。因此,积极引进先进的设计理念和技术的电源设计和成熟的行业,数据中心UPS供电系统的设计,系统的安全性和能源改善数据中心机房uPs电源系统的可靠性的同时,减少运营成本,提高节能减排水平,是当前的优先级数据中心供电系统的设计。

关键词：UPS；并机模式；节能；安全；可靠性；

UPS电源系统是数据中心的核心电源系统，对数据中心的安全可靠运行起着至关重要的作用。结合UPS设备的能效分级数据，建议现代数据中心的UPS供电系统在系统架构上采用先进的节能技术，保证数据中心供电系统具有绝对可靠的供电安全水平。重点分析和研究了UPS的并行模式、选型要求、几种拓扑结构和UPS的性能差异。提出了本项目高效节能设备的选型建议。

一、UPS系统电源质量与性能分类

UPS是不间断电源装置，一般由整流器、逆变器、蓄电池组成。在市电供电系统发生电源中断或电压、频率质量不能满足要求时，提供恒频、恒压的电源装置。UPS性能分类代码由3部分组成。前面的3个字符规定在正常工作方式下的电源质量，表示UPS输出电压和频率与交流输入电源（市电）电压和频率的关系。中间的两个字符规定在正常工作方式（包括暂时的静态旁路工作）和储能方式下的输出电压波形，表示是正弦波或非正弦波。最后3个字符规定在不同条件下UPS瞬态输出电压性能，表示是否符合标准规定的瞬态电压性能。

二、案例分析

1.UPS类型的选择原则。按照“美国The Uptime Institute”、(ANSI／EIA一942一A》中数据中心分类等级，本数据中心可靠性等级应为4级．其UPS系统应2N冗余配置，当任一套UPS发生故障时均不影响系统的正常运行，安全可靠性可达99．9999％。目前比较常见的有2种拓扑结构．一种是6脉冲或12脉冲可控硅整流器+谐波治理装置、逆变器带有变压器的UPS；另一种是采用IGBTPFC(功率因数补偿)无整流变压器的UPS。由于采用不同电路拓扑结构的UPS的性能和外形有较大差别，在实际应用中，对供电变压器、柴油发电机、线缆等与其配套的设备要求不同，运行时对上线供电系统的影响也不同，运行成本也有较大差异。因此．在同容量、同负载、同样后备时间电池配置、同样充电功率条件下应满足以下技术要求：（1）对电网环境有很强的适应能力；（2）应向负载提供符合要求的高质量电源；（3）有很强的输出适应能力和可靠性：（4）UPS系统配置功能；（5）有很高的可用性和可维护性：（6）系统设计和配置应体现新技术、节能环保等特点。

2.UPS系统的并机模式选择。UPS并机系统大致可分为2种模式。一种是采用公共旁路的并机模式，另一种是UPS直接并机模式，这两种并机模式各有优缺点。（1）公共旁路的并机系统结构。采用公共旁路的并机模式中，参与并机的各台UPS不配置各自的旁路．只有整流、逆变、电池系统旁路采用公共旁路。适用于对系统可靠性要求较高，3台及以上的大容量并机系统。其中公共旁路柜的容量可以根据远景的容量需求选择。本大型数据中心根据负荷统计，一层配置2组3台400 kVA并联。二层配置2组3台500 kVA并联。属于大容量系统。国内几乎所有大型数据中心都采用这种并机模式，如通信业、银行业、保险业、石油化工行业等大型数据中心，具有成熟的经验。主要优缺点：1）每台UPS的电路结构得到简化，取消了旁路主电路及控制电路，接线简单可靠；2）公共旁路可以承担更大的过载电流，清除故障。当下线发生短路故障时，公共旁路可以承受较大短路电流的冲击；3）UPS转旁路后输出电流均衡；4）初期投资较大。（2）LIPS直接并机系统结构。UPS直接并机模式中，参与并联的每台UPS具有各自的整流、逆变、电池、旁路系统。每台uPS都是独立、完整的系统。主要优缺点：1）由于每台UPS的参数有差异，UPS转旁路后输出电流不平衡，严重时可能导致设备损坏，容量越大影响越大；2）分散旁路不能承担较大的过载电流，当下线发生短路故障时可能出现各个被击穿现象；3）可靠性偏低，适用于系统总容量l 000 kVA以下：4）初期投资较小。

3.UPS系统的配置。（1）配置系统外部维修旁路开关。为提高系统的可靠性，在每套并机系统外部加装一个维修旁路开关。此系统方案是一种被称之为双总线的供电方案。当其中一个并机系统维修或保养期间。系统将保持双总线，在一定程度上提高系统的可靠性，使系统的运行和管理更加灵活、方便和可靠。（2）配置UPS输出隔离开关。每台UPS配置一个输出隔离开关，所有UPS通过这只开关并联到一起。其优点是可以在运行中隔离任一台UPS。便于对其中任何一台UPS做全面的维护保养和更换。将不影响系统的正常运行。如不加装这个开关，并机系统中的各台UPS就不能彻底与系统隔离，无法单台UPS进行全面的维护保养。

4.不同拓扑结构的UPS技术性能比较。不同拓扑结构的UPS系统在同容量、同负载、同样后备时间电池配置、同样充电功率条件下力求从电网索取的电流越小越好，可最大限度地节省电缆、开关等配套设备投资。力求向电网回馈的谐波电流越小越好，可最大限度地降低对供电系统(包括发电机)的影响。力求输入功率因数越高越好．可最大限度的减少供电系统的功率因数补偿设备投资，降低系统运行谐振风险。力求系统运行效率越高越好，可最大限度的降低运行成本。尤其应当注重40％以下负载率时的这些指标，因为多数时间UPS将运行在此指标，因为多数时间UPS将运行在此负载率范围以内。以400 kVA UPS在40％负载为例A：每台IGBT PFC的uPS一年运行自身耗电量：

400x40％x0.9x(1—95％)x24x365=63 072 kWh

B：每台12脉冲uPS一年运行自身耗电量：

400x40％x0.9x(1-89％)24x365=138 758 kWh

每台IGBT UPS较12脉冲UPS年运行节电：

1 38 758-63 072=75 686 kWh

本数据中心UPS系统为2N配置，本期共配置2组3台400 kVA和2组3台500 kVA的UPS，大部分时间负载率40％，为若采用IGBT PFC的UPS系统其节能效果显著。

5.结论。通过以上综合分析比较，为保障本数据中心UPS电源系统的安全可靠，UPS电源系统的配置和选型可总结如下：(1)采用2N双总线的UPS系统供电方式，保证系统在任何条件下不中断供电。(2)机型选择以IGBT PFC整流的UPS为首选方案，目前技术成熟，效率高，产生的谐波电流在40％负载条件下小于7％，在100％负载条件下小于5％。输入功率因数在40％负载条件下不小于0．98、在100％负载条件下不小于0．99。效率在40％负载条件下不小于95％、在100％负载条件下不小于94％。(3)UPS系统蓄电池支持时间为15 min。(4)并机采用公共旁路的并机模式，当发生短路故障时，公共旁路可以承受较大短路电流的冲击，以提高系统可靠性。(5)配置UPS输出隔离开关。便于对其中任何一台UPS做全面的维护保养、更换，将不影响系统的正常运行。(6)配置UPS并机系统外部维修旁路开关，使系统的运行和管理更加灵活、方便和可靠。本数据中心投运2年以来，未发生谐波超标现象，电流、电压质量较好，实践证明通过分析、计算并采取一定的措施可有效抑制谐波，提高供电质量，保证系统的稳定运行。

总之，UPS主机也由原先的工频机发展为高频机、模块化高频机，这些设备的应用提高UPS主机的供电效率，使UPS主机的配置更加灵活，同时采用双总线输入/输出的方式提高了供电的可用性。

参考文献：

［1］张海洋．浅谈大型数据中心UPS电源系统选型配置.2017.

［2］王红艳，探讨大型数据中心UPS电源系统选型配置研究.2018.